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自然灾害学报

16 卷 1 期 2007 年 2 月

自          然 灾 害 学 报 JOURNAL OF NATURAL D ISASTERS

Vol 16, No. 1 . Feb. 2007

文章编号 : 1004 24574 ( 2007 ) 01 20109 204
壤侵蚀模型 。
[1]

西昌 — 攀枝花高速公路弃土场土壤侵蚀预报
陈廷方 , 崔   鹏
1 2

( 1. 西南科技大学 环境与资源学院 , 四川 绵阳 621002; 2. 中国科学院 /水利部成都

山地灾害与环境研究所 , 四川 成都 610041)

摘要 : 为探讨高速公路施工期弃土场边坡的水土流失规律 ,对西昌 — 攀枝花高速公路一弃土场边坡进 行了天然降雨条件下水土流失观测试验 ,结果表明 ,弃土场边坡的主要侵蚀形式是沟蚀 ,主要侵蚀因 子是次降雨量和汇水平台宽度 。最后提出了预测西昌 — 攀枝花高速公路弃土场边坡土壤侵蚀量的土 关键词 : 弃土场 ; 土壤侵蚀 ; 降雨试验 中图分类号 : TU413. 6 + 2     文献标识码 : A

Pred iction of so il erosion on dum p yard of X ichang - Panzh ihua expressway
CHEN Ting2fang , CU I Peng
1 2

( 1. College of Environment and Resources, Southwest University of Science and Technology, M ianyang 621002, China; 2. Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences/M inistry of W ater Conservancy, Chengdu 610041, China)

way during construction, the experi ent of soil erasion w ith natural rainfall on Xichang - Panzhihua exp ressway was m conducted. The results show that the m ain type of soil erosion is gully erosion, the amount of soil erosion caused by

和水质污染等灾害 。因此 ,关于水土流失的成因和防治一直是人们研究的重要课题 。人类活动是土壤侵蚀 发生 、 发展以及得到防治的主导因素 ,对黄土高原历时时期的资料分析也表明 ,人类活动造成的加速侵蚀速 率为自然侵蚀速率的数百倍以上 , 故对于人类活动与土壤侵蚀的关系国内外学者开展了大量的研究工

作 ,但是 ,目前的研究主要集中在农业过度垦殖和林业滥伐造成的土壤侵蚀方面 ,而对公路工程建设引起 [2] 的水土流失关注不够 。道路侵蚀是区域土壤侵蚀的重要组成部分 。道路建设形成的硬地面 (包括路面 、 [3] 施工便道 、 施工营地 )极大地降低了地表的入渗能力 ,易于形成坡面漫流 ,成为流域产流产沙的重要来源 。 同时道路的排水系统会改变径流流动方式 , 往往在道路的下坡向诱发切沟
收稿日期 : 2005 - 11 - 15;   修订日期 : 2006 - 05 - 29
[4]

   基金项目 : 国家自然科学基金西部生态与环境研究重大项目资助 ( 90202007) ; 四川省交通厅基础研究项目 ( 2006A2 - 3)    作者简介 : 陈廷方 ( 1963 - ) ,男 ,教授 ,主要从事岩土工程 、 山地灾害研究 . E 2 mail: chentingfang@ s wust edu. cn .

Abstract: In order to investigate the behavior of soil erosion on slope of dump yard of Xichang - Panzhihua exp ress2 al amount of p recip itation and the w idth of the flat roof Finally, a model to p redict soil erosion on the slope of . dump yard of Xichang - Panzhihua exp ressway was given. Keywords: dump yard; soil erosion; p recip itation experim ent gully erosion is higher than that by surface erosion. The p rincipal factor causing soil erosion on the slope is individu2

水土流失是世界性的环境问题 ,严重的水土流失不仅造成大量的水土资源流失 ,而且还会导致洪水隐患

, 切沟的形成不仅造成了大量

·110·

自                              16 卷 然 灾 害 学 报
[5]

的水土资源流失 ,而且成为泥沙源通往沟道河流的便捷路径 生态环境
[6]

, 向河流输送泥沙 , 污染河流水质 , 破坏水生

。山区高速公路建设不可避免地要产生大量弃土 ,弃土场边坡产生的水土流失量在整个工程中
[7 - 8]

占有较大比重 。为了有效地减少和防治由道路建设引起的水土流失 ,保护生态环境 ,必须对道路侵蚀进行定 量预测与评价 。为此 ,一些学者通过人工降雨试验寻求道路侵蚀的规律
,着重研究了道路侵蚀的影响因

素 ,并提出道路侵蚀的预测模型 ,但由于道路侵蚀影响因素的复杂性及侵蚀规律的区域性 ,其实用性和通用 性受到了限制 。本文旨在通过天然降雨水土流失试验的方法 ,研究西昌 — 攀枝花高速公路施工期弃土场边 坡土壤侵蚀规律 。

1 试验区概况
西攀高速公路全线总长 162. 82 km ,起于已建成的西昌泸沽至黄联关高速公路止点 ,基本与成都至昆明 铁路并行 ,经德昌 、 甸沙关 、 、 米易 盐边 ,止于攀枝花金江镇 ,与拟建攀枝花至田房高速公路相连接后至云南 。 路线起点至垭口段长 125. 61 km 为沿河 (安宁河 )线 ,垭口至路线止点长 37. 21 km 为越岭线 ,路线经过区域 地质条件复杂 ,有“ 地质博物馆 ” 之称 ,是生态环境脆弱的高风险区
[9]



安宁河流域北邻南桠河 ,西邻雅砻江 ,东邻尼日河及金沙江支流黑水河 ,整个流域大致呈北南向的长条 形 ,流域四周山势较为陡峻 ,分水岭海拔高程一般在 3 000 m 以上 , 最高海拔达 4 791 m。试验区属于安宁河 宽阔的河谷平原区 ,大面积分布第四系冲洪积 、 、 冰碛 冰水堆积地层 ,形成多级阶地和冲洪积扇 、 冰水扇 、 泥石 流扇等地貌 。安宁河谷两侧由于地形高差大 ,形成两岸亚热带 、 温带和寒带对称分布的垂直气候带 ,年平均 气温 10 ~20 ℃,白天日照下地面温度一般迅速升高 ,最高达 33 ℃,夜晚温度骤然下降 ,昼夜温差达 10 ~14 ℃, 年平均降雨量 800 ~1100 mm ,降雨多集中在 6 - 10 月 。 实验所选弃土场位于德昌县南 ,西昌 - 攀枝花高速公路 K36 + 600 路堑右侧 ,弃土场长 100 m ,宽 70 m ,高
14 m ,两级堆放 ,为自然休止边坡。主要物质组成为表层弃土及废石 ,其粒度组成见表 1,土样密度 1. 6 g/ cm 。
表 1  弃土场边坡土样粒度组成
Table 1
粒径范围 /mm 所占百分比 / %
> 20 24. 16
3

Granularity composition of soil samp le from slope of dump yard
5 ~10 7. 15 2 ~5 4. 19 1 ~2 7. 80 0. 5 ~1 15. 33 0. 25 ~0. 5 0. 1 ~0. 25 0. 074 ~0. 1 20. 06 10. 88 0. 55 < 0. 074 0. 36

10 ~20 9. 4

2 试验过程和结果
本次试验选取一段长 36 m 具有代表性的边坡 ,坡长 9 m ,坡顶有 11. 5 m 宽的汇水平台 。降雨量采用天 津气象海洋仪器厂生产的 SDM6 型雨量器量测 ,并参照德昌县气象站的雨量资料 。试验开始于 2005 年 7 月
5 日 , 8 月 12 日结束 ,一共对 5 场天然降雨进行了水土流失观测试验 。 2. 1 7 月 16 日降雨

此次降雨量为 60. 2 mm ,历时 18 h,导致了较为严重的浅沟侵蚀 ,实测数据见表 2,据表 2 数据可算出平 均土壤侵蚀量为 128 642 t/ km 。坡面土壤冲刷至坡脚形成冲积扇 , 经测量 , 坡脚冲积扇的体积为 22. 924m , 占坡面侵蚀量的 88% 。随水流带走的泥沙称为产沙量 (仅指输移到河网中的泥沙 ) ,占坡面侵蚀量的 12% , 以重量计为 15 437 t/ km 。
2. 2 7 月 28 日降雨
2 2 3

此次降雨量为 26. 5 mm ,历时 9 h,降雨产生 9. 37 m 土壤流失 ,平均土壤侵蚀量为 46 272 t/ km 。坡面土 壤冲刷至坡脚形成的冲积扇体积为 8. 433 m ,占坡面侵蚀量的 90% ,产沙量为 4 627 t/ km 。
2. 3  8 月 10 日降雨
3 2

3

2

此次降雨量为 83. 7 mm , 历时 20 h, 导致了严重的浅沟侵蚀 , 经测量 , 本次降雨产生了 38. 6 m 土壤流 失 ,平均土壤侵蚀量为 190 617 t/ km 。坡面土壤冲刷至坡脚形成的冲积扇体积为 33. 2 m ,占坡面侵蚀量的
86% ,产沙量为 26 686 t/ km 。
2 2 3

3

1期

陈廷方等 : 西昌 — 攀枝花高速公路弃土场土壤侵蚀预报 表 2  弃土场边坡冲沟测量数据
Table 2  M easurements of gully erosion on slope of dump yard
冲沟位置 /m
0 m 处边界 0. 2 3 6 9 12 17 20 24 25 28 31 36 m 处边界

·1 1 1 ·

坡肩处冲沟 上底宽 /m
0. 2 0. 1 0. 2 1. 0. 0. 1. 1 35 8 5 4 5 8 3

坡肩处冲沟 下底宽 /m
0. 1. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 16 4 45 5 25 7 7 25 3 5 5

深度 /m

坡脚处冲沟 上底宽 /m
0. 0. 0. 0. 0. 1 1. 0. 0. 0. 0. 3 8 4 5 25 1 4 6 9 8

坡脚处冲沟 下底宽 /m
0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 15 4 2 2 15 6 7 2 3 6 5

深度 /m

沟长 /m

冲沟体积 m 3

0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.

2 35 4 4 2 8 8 3 35 8 45

0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.

2 15 2 25 2 2 3 25 2 25 2

9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

0. 3. 1. 1. 0. 5. 4. 0. 1. 4. 2.

432 082 5 395 743 75 517 5 58 995 843 75 271 25 083 75 103 75

合计

26. 05

此外 , 8 月 3 日降雨 10. 2 mm ,历时 6 h,导致了轻微的水土流失 ,平均土壤侵蚀量为 1 111 t/ km ,产沙量 为零 。 7 月 25 日降雨 8. 2 mm ,历时 2 h,未产生水土流失 。

2

3 弃土场边坡土壤侵蚀规律及预测
3. 1   弃土场边坡土壤侵蚀的影响因素

据美国通用土壤侵蚀方程 A = R ·K ·L S ·C ·P, 影响坡面土壤侵蚀的因素有 5 个 : 降雨侵蚀力因子 R、 土壤可蚀性因子 K、 地形因子 L S ( L 为坡长 , S 为坡度 ) 、 作物经营管理因子 C 及水土保持措施因子 P。对于 公路施工期弃土场 , 由于无农作物或植被覆盖 , 并且弃土还在进行 , 还未采取水保措施 , 通用流失方程可简化 为 : A = R ·K ·L S 。对于 K因子 , 一般情况下可通过土壤物理性质用公式法求得 , 或从土壤可蚀性诺模图中 查得 , 也可通过试验根据定义求出 。国内外不少学者提出了适用于特定地区的 R 因子和 L S 因子的经验计算 公式
[7 ]

。但对于公路施工期弃土场的土壤侵蚀 , L S 因子和 K因子能否利用现有算法求取还有待于进一步研

究 , 利用现有方法预测施工期弃土场的年均土壤流失量存在较大困难 。 坡面侵蚀可从面蚀与沟蚀两方面来分析 。面蚀主要由边坡表层土壤的物理性质决定 ,弃土场边坡坡面 土壤颗粒松散 ,渗透率大 ,一般大于降雨强度 ,坡面本身不易产流产沙而发生土壤侵蚀 。坡面沟蚀取决于弃 土场顶面是否有汇水平台 。弃土场顶面由于经过车辆或机械压实 ,渗透率很小 ,顶面的汇流作用可使坡面发 生强烈沟蚀 ,使其成为弃土场坡面主要的侵蚀形式 。沟蚀量的大小主要取决于是否有汇水平台及汇水平台 产生的股流量 ,股流量主要由降雨量和汇水平台宽度决定 (文中将降雨量与汇水平台宽度的乘积定义为平 台雨量 ) 。弃土场坡面沟蚀的主要影响因子是平台雨量 。汇水平台汇集的水以股流形式首先在边坡低洼或 薄弱部位冲刷边坡 。冲沟形成后 ,沟壁由于较为疏松 ,在重力和水流作用下易发生坍塌 ,使沟变宽 ,加剧沟蚀 的发生 。顶面无汇水平台的弃土场边坡 ,由于坡面土壤颗粒松散 ,渗透率大 ,一般大于降雨强度 ,坡面本身不 易产流产沙而发生土壤侵蚀 。 3. 2   平台雨量与侵蚀量 、 产沙量的关系 表 3 列出了各次降雨的雨量 、 次平台雨量 (次降雨量与汇水平台宽度的乘积 ) 、 平均侵蚀量及产沙量 ,图 1 表明了实测平台雨量与土壤侵蚀量 、 产沙量的关系 。经直线回归得弃土场边坡土壤侵蚀模型为 :
表 3
Table 3
时间
7 月 28 日 7 月 16 日 8 月 10 日 8月 3日

各次降雨的雨量 、 次平台雨量 、 平均侵蚀量及产沙量

Amounts of rainfall, p latform rainfall, erosion and sedim ent for mation in every tim e of p recip itation
降雨量 /mm
26. 5 60. 2 83. 7 10. 2

次平台雨量 /m 2
0. 304 75 0. 692 3 0. 962 55 0. 117 3

土壤侵蚀量 / ( t·km - 2 )
46 272 128 642 190 617 1 111

产沙量 / ( t·km - 2 )
4 627 15 437 26 686 0

·112·

自                              16 卷 然 灾 害 学 报

y = 222 100 x - 23 659, R ys = 31 126 x - 4 474, R
3 2

2

= 0. 999 4, r = 0. 999 7 = 0. 988 4, r = 0. 994 2
2 2 2

( 1) ( 2)

式中 : x 为次平台降雨量 (m /m ) ; y 为土壤侵蚀量 ( t/ km ) ; ys 为产沙量 ( t/ km ) ; R 为相关指数 ; r为相关 系数 。 3 由 ( 1 ) 式求出当土壤侵蚀量为零时 , 临界次平台降雨量 x0 = 0. 106 m /m , 相应的临界次降雨量为 9. 2 mm。如果不考虑雨强影响 ,小于临界次平台降雨量的降雨将不产生水土流失 。 [7] 杨成永等 认为土壤侵蚀量与各时段降雨强度及降雨历时单因子没有直接的相关性 。在黄土高原 ,次 降雨量与侵蚀量相关性差 ,与降雨强度则存在很好 的相关关系 。陈永宗 等发现 , 黄土高原边坡次 降雨土壤流失量与最大 30 m in 降雨强度相关性最 好 。据前述土壤侵蚀量与降雨的相关关系分析结 果显示 ,一次降雨是否产生土壤侵蚀主要受控于次 平台降雨量 ,存在一个产生土壤侵蚀的起始降雨量 (临界降雨量 ) ,即使一次降雨强度较大 , 但当达不 到足够雨量时 ,也不可能产生土壤侵蚀 。但应该指 出的是本次实验还观察到 8 月 5 日至 8 月 6 日的 一次降雨 ,降雨量 27. 3 mm ,历时 26 h,未产生水土 流失 ,因此 ,应该说弃土场边坡土壤侵蚀还与降雨 强度有一定关系 ,有待进一步研究 。
图 1 侵蚀量 、 产沙量与降雨量的关系
sedi ent for m mation w ith rainfall
[ 10 ]

Fig 1  Variation of amount of erosion and .

4 结论与建议
高速公路建设期间弃土场边坡水土流失主要以沟蚀为主 。 具有汇水平台的弃土场边坡土壤侵蚀强度主要影响因素为次平台雨量 ,其侵蚀量及产沙量与次平台雨 量有较好的线性相关性 。 研究区弃土场产生水土流失的临界次降雨量为 9. 2 mm ,如果不考虑雨强影响 , 小于临界次平台降雨量 的降雨将不产生水土流失 。 弃土场边坡土壤侵蚀还与降雨强度及土壤物理力学性质有一定关系 ,有待进一步研究 。 建议施工弃土期间作好弃土平台周边的临时排水 ,以减少水土流失 。

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